基于地应力-沉积岩层结构控制的采场底板巷道围岩变形机理研究

摘要

巷道变形破坏是制约矿井安全高效开采的主要因素之一，巷道变形破坏机理复杂，受多种因素控制。为揭示采场底板巷道变形破坏机理，本文以淮北矿区芦岭煤矿主采煤层8煤底板为研究对象，分析了煤层底板沉积岩层结构及矿井地应力场特征，综合运用理论分析、数值模拟、相似材料模拟和现场实测等方法，对采场底板巷道变形机理进行了研究，揭示了底板巷道变形破坏的地应力-沉积岩层结构控制机理。取得的主要研究成果和结论有:
　　(1)通过对研究区沉积环境、岩性组合特征分析，将8煤底板岩层分为分流间湾一决口扇型和泛滥盆地一分流河道型两种沉积模式，提出了8煤底板由全泥岩型（Ⅰ型）及砂泥岩互层型（Ⅱ型）两种沉积岩层结构类型组成。
　　(2)采用应力解除法与AE法对矿井地应力进行了测试分析，得出最大主应力在19.94～33.65MPa之间，最大主应力方向73.2°～105.6°，呈近东西向，矿井地应力场以构造应力场为主;采用FLAC3D软件对矿井地应力分布特征进行了反演，结果表明，芦岭矿井地应力分布具有明显的分区性。
　　(3)将采场底板巷道简化为半无限空间弹性体内部含圆形孔洞的应力求解模型，运用复变函数方法，推导出在原岩应力和支承压力影响下的采场底板巷道应力的弹性力学解。分析得出高地应力条件下，采场底板巷道巷帮易发生拉破坏，巷顶壁易发生剪切破坏，且随着侧压系数的增大而明显。
　　(4)建立了两种底板沉积岩层结构工程地质模型，采用数值模拟与相似材料模拟相结合的方法，对不同地应力场条件下，采场底板应力演化规律及巷道变形特征进行了分析，结果表明:
　　①自重应力条件下，两类沉积岩层结构底板采动应力演化及巷道变形特征存在一定的差异，主要表现为Ⅱ型结构底板增压及卸压程度均大于Ⅰ型结构，但差异较小，主要因为Ⅱ型结构底板中含力学强度较高的砂岩;
　　②构造应力条件下，两类沉积岩层结构底板采动应力演化差异显著，主要表现为，Ⅰ型结构底板采动应力在底板垂向范围内分为两个区间，分别为应力集中区和应力恢复区，而Ⅱ型结构底板分为三个区间，在岩性分界面处出现了应力拐点，说明底板沉积岩层结构的差异在构造应力条件下达到了放大;
　　③构造应力条件下，采空区底板应力总体以压应力为主，而自重应力条件下，以拉应力为主，导致底板巷道破坏形式明显不同，自重应力条件下多为拉张性破坏，而构造应力条件下巷道多为压剪性破坏，揭示出地应力场对巷道变形的控制机理。
　　④构造应力场条件下，Ⅰ型结构底板巷道变形破坏较Ⅱ型结构底板巷道变形破坏程度更大。
　　(5)建立了Ⅱ型沉积岩层结构边界断层模型，采用数值模拟与相似材料模拟相结合方法，对工作面逆、顺断层倾向回采条件下采场底板应力演化及巷道变形进行了分析，得出断层带对采场底板应力演化有明显的控制作用。主要表现有:
　　①逆断层倾向开采时，采动应力受断层带阻隔，在上盘产生应力集中，而顺断层倾向开采时，采动应力穿过断层带传递到对盘，揭示出逆断层倾向开采，断层带对采动应力起“屏蔽”作用;
　　②断层不同位置底板巷道变形不同，主要表现为:近断层带巷道变形大，而远离断层带巷道变形小，揭示出边界断层对巷道变形破坏的控制机理。
　　(6)利用自行研制的岩体采动应力监测装置，对工作面回采期间，底板巷道采动应力进行了同步监测，结果表明:底板巷道垂向应力状态经历增压-卸压-应力恢复过程，增压幅度明显小于卸压幅度，即底板巷道受采空区卸压影响程度明显高于工作面超前集中应力影响程度，与数值模拟结果一致。
　　(7)对工作面回采期间底板巷道变形进行了同步测试，结果表明:
　　①采空区下方巷道变形大于工作面迎头前方巷道变形，巷道变形受地应力控制明显，巷道变形差异与地应力分区能较好对应，初始地应力大的位置，巷道变形较大，揭示出地应力场对巷道围岩变形的控制作用;
　　②当地应力大小一致而沉积岩层结构不同时，巷道变形也不同，表现为Ⅱ型较Ⅰ型小，揭示出沉积岩层结构对巷道围岩变形的控制机理。芦岭煤矿巷道变形差异主要原因是沉积岩层结构与地应力共同作用所致，Ⅱ型结构底板巷道稳定性好于Ⅰ型结构底板。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题目的与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地应力研究现状

1．2．2 沉积岩层结构研究现状

1．2．3 采场底板应力传播规律研究现状

1．2．4 采场底板巷道变形机理研究现状

1．3 研究内容与方法

1．4 技术路线

2 芦岭矿井8煤层底板沉积岩层结构特征

2．1 矿井工程地质背景

2．1．1 矿井地层

2．1．2 含煤概况

2．1．3 矿井地质构造概况

2．2 芦岭矿井主采煤层段沉积特征与沉积环境

2．2．1 主采煤层段沉积特征

2．2．2 主采煤层段沉积环境

2．2．3 原生沉积构造序列及其沉积环境解释

2．3 8煤层底板岩性类型与沉积模式

2．3．1 8煤底板岩性组成

2．3．2 8煤底板岩性组合特征

2．3．3 8煤底板岩层沉积模式

2．3．4 8煤底板沉积岩层结构类型

2．4 本章小结

3 芦岭矿井地应力场分布特征

3．1 引言

3．2 矿井地应力测试

3．2．1 矿井地应力应力解除法测试

3．2．2 矿井地应力AE法测试

3．2．3 地应力测试结果分析与评价

3．3 芦岭矿Ⅱ井水平地应力场反演分析

3．3．1 反演方法选择

3．3．2 反演模型建立

3．3．3 反演过程

3．3．4 芦岭矿井Ⅱ水平地应力场分布特征

3．4 本章小结

4 采场底板巷道围岩应力弹性力学解

4．1 理论模型建立

4．1．1 采场底板巷道力学模型

4．1．2 采场底板巷道应力求解思路

4．2 不考虑自重应力求解

4．2．1 弹性力学的复变函数解

4．2．2 保角映射

4．2．3 边界条件

4．3 考虑自重应力求解

4．3．1 原岩应力解

4．3．2 巷道开挖岩层自重反力产生的应力解

4．3．3 巷道围岩应力解

4．3．4 巷道围岩应力级数展开

4．4 采场底板巷道应力弹性解的验证

4．5 不同地应力下的采场底板巷道周边应力分布规律

4．6 本章小结

5 采场底板应力演化及巷道变形数值模拟分析

5．1 数值模型建立

5．1．1 工程地质模型建立

5．1．2 计算模型及边界条件

5．1．3 本构模型的选取及计算参数

5．2 数值模拟方案

5．3 数值模拟结果分析

5．3．1 沉积岩层结构对采场底板应力演化及巷道围岩变形的影响

5．3．2 边界断层对采场底板巷道变形的影响

5．4 本章小结

6 采场底板应力演化及巷道变形相似材料模拟试验研究

6．1 地应力场对采场底板巷道围岩变形破坏模拟试验

6．1．1 相似模型的设计及制作

6．1．2 试验结果与分析

6．2 边界断层对采场底板应力演化及巷道围岩变形破坏模拟试验

6．2．1 边界断层相似模型的设计及制作

6．2．2 试验结果与分析

6．3 本章小结

7 巷道围岩变形破坏的地应力-沉积岩层结构控制机理分析及工程验证

7．2 采场底板巷道围岩变形破坏的地应力-沉积岩层结构控制机理验证

7．2．1 初始地应力场对芦岭煤矿Ⅱ水平巷道变形破坏分析

7．2．2 采场底板巷道采动附加应力演化规律分析

7．2．3 采动应力场及沉积岩层结构对芦岭煤矿Ⅱ水平巷道变形破坏分析

7．3 本章小结

8 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果